CC BY
6ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2002, том 44, № 3, с. 483^87
- РЕОЛОГИЯ
УДК 541.64:532.135
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АДСОРБЦИОННЫХ СЛОЕВ ИНТЕРПОЛИМЕРНЫХ АССОЦИАТОВ ПОЛИДИМЕТИЛСИЛОКСАНА И БЫЧЬЕГО СЫВОРОТОЧНОГО АЛЬБУМИНА НА ГРАНИЦЕ ДВУХ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ1
© 2002 г. В. Н. Измайлова*, И. А. Грицкова**, С. М. Левачев*, Т. В. Булатова**, А. А. Капустина**, П. В. Нусс**, Г. П. Ямпольская*
* Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Химический факультет
119899 Москва, Ленинские горы
**Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова
117571 Москва, пр. Вернадского, 86
Поступила в редакцию 26.04.2001 г. Принята в печать 07.05.2001 г.
Изучены смешанные межфазные адсорбционные слои ПДМС и бычьего сывороточного альбумина на границе вода-.м-ксилол. На кривых течения межфазных адсорбционных слоев на границе фаз обнаруживается предел текучести, и реологические свойства слоев характеризуются сочетанием упругих и вязкостных свойств. Обнаружен синергетический эффект реологического поведения интерполимерных ассоциатов. Предложена модель двумерных ассоциативных структур самоорганизующихся межфазных адсорбционных слоев на границе раздела вода-л»-ксилол.
ВВЕДЕНИЕ
Многокомпонентные и многофазные системы, состоящие из двух несмешивающихся жидкостей и ПАВ, имеют большое теоретическое и практическое значение в связи с образованием в таких системах ассоциативных и ЖК-структур, микроэмульсий и межфазных слоев с особым составом и реологическими свойствами.
Свойства смешанных межфазных слоев, сформированных на границе раздела фаз и содержащих несколько поверхностно-активных компонентов, водо- и маслорастворимых, представляют значительный интерес для медицины, биологии и ряда биотехнологических процессов. Исследование строения и свойств межфазных адсорбционных слоев (MAC) белков и полимеров важно в связи с их применением в качестве диагностику-мов, имплантантов, для иммобилизации ферментов и клеток [1-4].
' Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 01-03-32129а).
E-mail: Izmailova@colloid.chem.msu.ru (Измайлова Виктория Николаевна).
В данной работе для исследования смешанных MAC синтетического ПАВ и белков использован водорастворимый белок - бычий сывороточный альбумин (БСА), являющийся основным транспортным белком крови. Этот белок солюбилизи-рует большое количество соединений различной природы [5] и переносит их по организму в токе крови, участвуя, таким образом, в процессе метаболизма. Закономерности поведения альбумина на границах фаз определяют характерные черты процесса метаболизма.
Контакт крови с имплантированными синтетическими материалами часто является спусковым механизмом процесса адсорбции белка с про-мотированием отложения форменных элементов крови и последующего образования тромбов, которые сбрасываются в поток крови и закупоривают кровеносные сосуды [6]. Закономерности транспорта и освобождение лекарственных веществ из полимерных носителей, а также продолжительность функционирования in vivo биосенсоров тесно связаны со структурой и реологическими свойствами MAC белков. Практическая важность определяется возможностью расширения границ использования интерполимерных ассоциатов, ко-
483
8*
Время, мин
Рис. 1. Данные ВЭЖХ, характеризующие состав БСА. Пик С относится к мономеру белка.
торые являются перспективным материалом для создания нанокомпозитов и высокоориентированных ультратонких пленок Ленгмюра-Блодже со специальными свойствами.
Ранее [7] были изучены реологические и термодинамические параметры межфазных адсорбционных слоев ПДМС на границе двух несмеши-вающихся жидких фаз. Было обнаружено, что на границе фаз вода-ж-ксилол формируется двумерная самоорганизующаяся структура ПДМС, отвечающая ЖК-состоянию и обладающая тиксот-ропными свойствами. Предложена модель двумерной структуры ПДМС на границе раздела вода-и-ксилол.
Было показано [8], что зависимость механических характеристик MAC на основе БСА от времени их формирования проходит через максимум. Это свидетельствует о конкуренции нескольких (по крайней мере двух) процессов при образовании MAC [9, 10]. При массопереносе БСА на межфазную границу возникает большое число случайных контактов между молекулами белка; при этом образуется прочная, но напряженная коагу-ляционная структура, которая термодинамически неустойчива и со временем разрушается при переходе системы в равновесное состояние.
В работе [11] с использованием атомно-сило-вой микроскопии изучены адсорбционные слои сывороточного альбумина, сформированные на границе фаз гексадекан-вода и перенесенные на твердую подложку. На фотографиях видна упорядоченная сетка глобул белка с толщиной слоя 2.8 ± 0.4 нм, что подтверждает формирование упорядоченной коагуляционной структуры в межфазном слое.
Цель настоящей работы - изучение реологических характеристик интерполимерных ассоци-атов высокомолекулярных поверхностно-активных веществ ПДМС и БСА, образующихся на межфазной границе жидкость-жидкость (вода-
Л1-КСИЛОЛ).
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве маслорасгворимого ПАВ использовали а-(карбоксиэтил)-со-(триметилсилокси) ПДМС общей формулы
СН3 СН3 СНз 0=С-СН2-СН2—Si-[0-Si]„— O-Si-СНз ,
I I I I
НО СН3 СН3 СН3
где п = 6.24; СОО = 6.44%; М = 846; п™ = 1.4105.
25
Вязкость образца r\d =3.5 мПа с; образец синтезировали в ИНЭОС РАН по методике [12].
Водорастворимым ПАВ служил БСА производства Олайнского завода химреактивов НПО "Био-химреактив". На рис. 1 представлены данные ВЭЖХ, характеризующие состав исходного препарата БСА. Видно, что препарат на 82% состоит из мономерного белка с М = (6.65-6.70) х 104. Основная примесь представлена димером белка. БСА очищали с помощью гель-хроматографии на носителе АСА-34 ("Pharmacia", Швеция), отбирая фракцию мономерного белка. Диск-электрофорез в полиакриламидном геле по методике [13], показал, что очищенный препарат БСА практически не содержит агрегатов.
Концентрацию водных растворов БСА определяли спектрофотометрически на длине волны 279 нм [14]. ММ белка принимали равной 6.7 х 104. Молекула БСА состоит из трех доменов и представляет собой эллипсоид вращения с осями 14 х х 4 х 4 нм; белок содержит 55% а-спиралей. Изоэле-ктрическая точка БСА соответствует рН 4.8 [15].
В качестве неполярной среды использовали Л1-ксилол квалификации ч. Ангарского завода химреактивов.
Полярная среда - бидистиллированная вода.
Реологические характеристики MAC определяли с помощью поверхностного эластовискози-метра [16,17]. Принцип метода измерений заключается в закручивании диска, расположенного на границе раздела фаз и жестко связанного с динамометром (упругая вольфрамовая нить). Измерения проводили при постоянной скорости вращения столика, регистрируя изменения положения светового зайчика на шкале во времени. Напря-
жение сдвига пропорционально углу закручивания нити. Поскольку модуль упругости вольфрамовой нити много выше модуля упругости исследованных MAC, такой режим испытаний обеспечивает постоянство скорости деформации на начальной (линейной) и конечной стадиях развития напряжения сдвига.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сывороточный альбумин, как и другие белки, является ПАВ, снижающим поверхностное и межфазное натяжения. Он образует межфазные адсорбционные слои, обладающие свойствами коа-гуляционных кристаллоподобных структур [18].
Для исследования реологических характеристик смешанных MAC были выбраны следующие условия.
Из работы [19] известно, что минимальное межфазное натяжение на границе вода-.м-ксилол достигается при 0.1%-ном растворе БСА, поэтому использовали именно такую его концентрацию. Значение рН 6.5 водного раствора БСА было выбрано в связи с тем, что это значение соответствует рН крови, и при таких рН молекулы БСА имеют небольшой отрицательный заряд. Поэтому при формировании смешанных MAC на границе вода-л-ксилол минимизируется электростатическое взаимодействие.
Было установлено, что реологические параметры адсорбционных слоев БСА и его смесей с ПДМС не изменяются в процессе формирования в течение 40 мин - 6 ч, и такие слои можно считать "условно равновесными". В дальнейшем исследования реологических свойств межфазных адсорбционных слоев БСА и его интерполимерных ассоциатов с ПДМС проводили после формирования слоев в течение 40 мин.
Характер развития напряжения сдвига от времени Ps(t) в смешанных адсорбционных слоях, сформированных ассоциатами БСА и ПДМС, на границе фаз вода-л*-ксилол представлены на рис. 2. Слои белка [19], ПДМС [7] и смешанные MAC характеризуются аналогичными зависимостями Ps(t). Для всех MAC характерно увеличение предела прочности Prs (максимума на кривых) и ускорение момента появления максимума с повышением скорости деформации г: при увеличении е на два порядка Рп возрастает в 4—8 раз, а время достижения Prs уменьшается. Однако при е = 0.46 с-1 для смешанных MAC максимум отсутствует, и напряжение плавно увеличивается до величины напряжения стационарного течения Pss. Кроме того,
80
Время, с
Рис. 2. Развитие напряжения сдвига Ps во времени на границе 0.1%-ный раствор БСА в воде (рН 6.85) - 1%-ный раствор ПДМС в .и-ксилоле при разных скоростях деформации: г = 0.46 (1), 0.92 (2), 1.85 (5), 9.26 (4), 18.52 с"1 (5). Время формирования MAC 40 мин.
е, с"
мН/м
Рис. 3. Зависимость скорости деформации е от напряжения сдвига Р5! на границе вода-.и-кси-лол для 2% ПДМС (/), 0.1% БСА (2) и системы 1% ПДМС - 0.1% БСА (5).
следует отметить, что при формировании смешанных MAC Prs возрастает по сравнению с MAC индивидуальных компонентов. Образование интерполимерных ассоциатов в MAC приводит к увеличению как Prs так и Pss.
На основании полученных данных была построена зависимость е от Pss (кривая течения) для смешанных адсорбционных слоев ПДМС и БСА (рис. 3). Для сравнения на том же рисунке приве-
Реологические параметры MAC на основе ПДМС, БСА, а также интерполимерных ассоциатов ПДМС и БСА на границе фаз вода-.и-ксилол
Система Первый предел текучести Рк1, мН/м Второй предел текучести Рк2, мН/м Модуль упругости Е, мН/м "Шведовская" вязкость Г)(* , мН с/м "Бингамовская" вязкость Г)*, мН с/м
2%-ный раствор ПДМС в л<-ксилоле-вода 0.01 0.06 0.0098 0.0125 0.0013
0.1%-ный раствор БСА в воде-.и-ксилол 0.05 0.2 2.8 170 70.6
0.1%-ный раствор БСА в воде-1%-ный раствор ПДМС в .и-ксилоле 0.15 0.45 12 300 72
дены кривые течения для индивидуальных компонентов. Кривые течения MAC имеют вид, характерный для твердообразных структур с пределами текучести Рк1 и Рк2.
Основные исследованные реологические параметры представлены в таблице. Видно, что модуль упругости для смешанных MAC на основе ПДМС и БСА возрастает в 4 раза, "шведовская" вязкость также увеличивается в 1.5 раза по сравнению с соответствующими параметрами MAC белка. С помощью рассчитанных значений модуля упругой деформации и эффективной вязкости смешанных MAC на основе ПДМС и БСА можно охарактеризовать эти слои как упруговязкие (модель Кельвина).
Результаты измерений реологических характеристик MAC на основе ПДМС и БСА позволяют предложить модель их строения (рис. 4).
В настоящее время принято рассматривать молекулы БСА с помощью трехдоменной модели. Согласно этой модели, молекула белка состоит из трех относительно независимых доменов (I, II и III), каждый из которых образован тремя петлями (субдоменами) аминокислотной цепи и имеет близкий аминокислотный состав. Все домены и субдомены сшиты дисульфидными мостиками и стабилизированы электростатическими и гидрофобными взаимодействиями. Центральный домен имеет более плотную структуру и диаметр 5.3 нм, два менее плотных домена расположены симметрично относительно центрального и имеют меньший диаметр 3.8 нм.
141 А
41 А
В
Рис. 4. Модель строения MAC, сформированных ПДМС и БСА на границе вода-ж-ксилол. М - масляная фаза, В - водная фаза. I, II и III - домены макромолекулы БСА. В кружках даны заряды на макромолекулах БСА.
Распределение зарядов (в зависимости от рН среды) неоднородно: при рН ~ 7.4 заряд домена I -10, домена II -8, домен III не заряжен. Поэтому представляется, что в MAC предпочтительной является вертикальная ориентация молекул БСА преимущественно третьим доменом в сторону ^и-ксилола.
Интерполимерные ассоциаты MAC, сформированные упорядоченными структурами ПДМС и БСА, на границе двух несмешивающихся жидкостей, вероятно, представляют собой высокоупорядо-ченную коагуляционную структуру с контактами, образованными в результате гидрофобных взаимодействий. Фактически на межфазной границе взаимодействуют ЖК-структуры ПДМС и БСА, поддерживая двумерную организацию.
Таким образом, измеренные реологические параметры свидетельствуют о том, что в смешанных MAC, сформированных самоорганизующимися ЖК-структурами ПДМС и БСА на границе вода-м-ксилол, обнаруживается синергетический эффект.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грицкова И.А., Крашенниникова И.Г., Дорохова ЕЛ., Нусс П.В., Гусев СЛ., Аль-ХаваринЦ Коллоид. журн. 1994. Т. 56. № 4. С. 487.
2. Грицкова И.А., Нусс П.В., Дорохова Е.А., Гусев СЛ., Крашенниникова И.Г., Аль-Хаварин // Коллоид, журн. 1994. Т. 56. № 4. С. 491.
3. Грицкова И Л., Крашенниникова И.Г., Аль-Хаварин, Нусс П.В., Дорохова ЕЛ., Гжива-Никсинь-ска // Коллоид, журн. 1995. Т. 57. № 2. С. 182.
4. Kowalczyk £>., Marsault J.P., Slomkowski S. // Colloid Polym. Sci. 1996. V. 274. P. 513.
5. Измайлова B.H., Ребиндер ПЛ. Структурообразо-вание в белковых системах. М.: Наука, 1974.
6. Haynes ChA., Norde W. J. //Colloid Interface Sci. 1995. V. 169. P. 313.
7. Измайлова B.H., Грицкова И.А.,Левачев C.M., Булатова Т.В., Капустина A.A., Нусс П.В., Ямполь-ская Г.П. II Высокомолек. соед. А. 2001. Т. 43. № 12. С. 2123.
8. Пелех В.В., Алентьев А.Ю., Ямпольская Г.П., Измайлова В.Н. Ц Коллоид, журн. 1998. Т. 60. № 2. С. 235.
9. Пелех В.В., Алентьев А.Ю., Ямпольская Г.П., Измайлова В.Н. // Коллоид, журн. 1998. Т. 60. № 2. С. 239.
10. Левачев С.М., Измайлова В.Н. // Коллоид, журн. 1994. Т. 56. № 2. С. 194.
11. Gunning А.Р., Wielde P.J., Clark D.C., Morris V.J., Parker M.L., Gunning PA. I I J. Colloid and Interface Sci. 1996. V. 183. P. 600.
12. Schilling F.C., Gomez M.A., Tonelli A.E. I I Macromole-cules. 1991. V. 24. № 24. P. 6552.
13. May pep Г. Диск-электрофорез. M.: Мир, 1971.
14. Kirschenbaum D.M. I I Anal. Biochem. 1997. V. 81. P. 220.
15. Peters Th. //Adv. Protein Chem. 1985. V. 37. P. 161.
16. Izmailova V.N. // Progress in Surface and Membrane Science. 1979. V. 13. P. 141.
17. Измайлова I?.H., Ямпольская Г.П., Туловская ЗД. Ц Коллоид, журн. 1998. Т. 60. № 5. С. 598.
18. Izmailova V.N., Yampolskaya G.P. // Protein at Liquid Interfaces / Ed. by Möbius D., Miller R. Studies in Interface Science Series. Amsterdam: Elsevier, 1998. V. 7. P. 103.
19. Измайлова B.H., Левачев C.M., Ямпольская Г.П., Грицкова И.А., Капустина A.A., Нусс П.В., Мартынова Е.В., Адебайо Г. // Коллоид, журн. 2000. Т. 62. № 1. С. 70.
Rheological Characteristics of Adsorption Layers of Interpolymer Associates of Poly(dimethylsiloxane) and Bovine Serum Albumin at the Interface
of Two Immiscible Liquids
V. N. Izmailova*, I. A. Gritskova**, S. M. Levachev*, Т. V. Bulatova**, A. A. Kapustina**, P. V. Nuss**, and G. P. Yampol'skaya*
* Faculty of Chemistry, Moscow State University, Leninskie gory, Moscow, 119899 Russia ** Moscow State Academy of Fine Chemical Technology, pr. Vernadskogo 86, Moscow, 117571 Russia
Abstract—The mixed interfacial adsorption layers of poly(dimethylsiloxane) and bovine serum albumin at a water-w-xylene interface were studied. The flow curves of interfacial adsorption layers at the phase boundary display a flow limit, and the rheological properties of the layers are characterized by a combination of elastic and viscous properties. A synergistic effect is observed in the rheological behavior of interpolymer associates. A model is proposed for the two-dimensional associative structures of self-organizing interfacial adsorption layers at the water-w-xylene interface.
